JP4366560B2

JP4366560B2 - 二次電池保護回路

Info

Publication number: JP4366560B2
Application number: JP2001029655A
Authority: JP
Inventors: 祥隆大西; 憲一三木; 幸弘寺田
Original assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Current assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Priority date: 2001-02-06
Filing date: 2001-02-06
Publication date: 2009-11-18
Anticipated expiration: 2021-02-06
Also published as: US6518729B2; US20020145406A1; JP2002238172A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は二次電池保護回路に関し、特にリチウムイオン電池のような充電可能な電池（二次電池）を備えた電池ユニットに用いられ、二次電池の過充電状態、過放電状態、過電流状態等を検出してそれぞれに応じた保護動作を行うことで二次電池を保護する二次電池保護回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
二次電池のうち、特にリチウムイオン電池は、過充電、過放電に弱いため、過放電状態、過充電状態を検出する検出装置が不可欠であり、更に過電流状態を検出する検出装置も必要である。
【０００３】
過充電について言えば、リチウムイオン電池は、充電してゆくと満充電状態を過ぎても電池電圧は上昇を続ける。過充電状態になると、電池内部圧力の上昇による電池の破損や、金属リチウムの析出による電極間ショートが発生し、発熱、発火の危険性がある。したがって、充電は定電流定電圧で行い、定電圧充電の制御電圧は、電池の定格を越えないようにしなければならない。しかし、充電器の故障や、誤って異機種充電器による充電が行われた場合は、電池の定格電圧を越えるおそれがある。このような場合に、電池の最大定格を越えないように充電電流を遮断する機能が過充電保護機能である。
【０００４】
過放電について言えば、ニッカド電池やニッケル水素電池は、電池容量を使い切ってから充電しないで浅い放電・充電を繰り返すと、電池の能力が落ちてくる、いわゆるメモリー効果がある。これに対し、リチウムイオン電池は、メモリー効果がなく、二次電池として理想的である。しかし、その反面、放電し過ぎて電池電圧が所定値以下になってしまうと、電池の構成物質が変質し電池寿命を縮める場合がある。このため、電池電圧が所定の電圧以下になった場合に、放電電流を遮断する機能が過放電保護機能である。
【０００５】
次に、過電流について言えば、電池を保管したり持ち運ぶ際、誤って金属を触れさせて電池の＋端子と−端子との間をショートさせてしまった場合や、接続機器が故障してショート状態となった場合は、大電流が流れて金属を溶断したり、可燃物が触れていれば発火したりするおそれがある。このため、電流値を検出して放電電流を遮断する機能が過電流保護機能である。
【０００６】
上記のいずれの保護機能においても、電圧あるいは電流を検出して保護動作を行うようにしている。ここで、電圧あるいは電流に一時的（ごく短時間）な変動が生ずる場合がある。このような場合には、上記保護動作を行う必要は無い。これを実現するために、二次電池保護回路には不感応時間設定回路も備えられる。不感応時間設定回路というのは、例えば過電流が検出されたとしても、一定時間の間は過電流保護動作を実行しないようにするためのものである。
【０００７】
図３を参照して、上記のような各種機能を有する二次電池保護回路について説明する。図３において、リチウムイオン電池２１に並列に過充電検出回路２２、過放電検出回路２３が接続されている。過電流検出回路２４は、負荷（図示せず）との間の電力供給ラインに接続されて過電流状態を検出する。過充電検出回路２２、過放電検出回路２３、過電流検出回路２４の検出信号はそれぞれ、過充電状態、過放電状態、過電流状態が続いている間維持され、論理演算回路２５に出力される。論理演算回路２５は、過充電検出回路２２、過放電検出回路２３、過電流検出回路２４からの入力があると、それぞれの場合に応じた信号を不感応時間設定回路２６に与える。不感応時間設定回路２６は、論理演算回路１５から例えば過電流検出に対応する信号を受けると、それに対応して設定された不感応時間を経過してはじめて信号を論理演算回路２５に出力する。この時、論理演算回路２５は、放電電流を遮断するための放電制御信号を出力する。
【０００８】
なお、図３ではリチウムイオン電池２１が１個の場合について示しているが、リチウムイオン電池が複数個直列接続される場合には、それぞれに過充電検出回路、過放電検出回路、過電流検出回路が備えられる。なお、過充電検出回路、過放電検出回路、過電流検出回路については、例えば特願平７−１９３２５２号、特願平８−７２５２１号に開示されている。
【０００９】
図４は、上記の不感応時間設定回路２６をＩＣで実現した実際の回路例を示している。不感応時間設定回路２６は、クロック生成回路２６−１と、フリップフロップ（以下、ＦＦと略記する）回路２６−２とから成る。クロック生成回路２６−１は、ＦＦ回路２６−２のためのクロックＣＬＫ、ＣＬＫバーを生成する回路である。ここで、ＣＬＫバーというのは、クロックＣＬＫを反転させた信号の便宜上の呼称であり、図4ではＣＬＫの上に反転を示すバーが付されている。これは、以降で述べられるフリップフロップの出力Ｑについても同様であり、図中でＱの上に反転を示すバーが付されたものはＱバーと呼ぶことにする。ＦＦ回路２６−２は、ここでは１２段の分周用Ｔ（トグル）−ＦＦ１〜Ｔ−ＦＦ１２から成る。
【００１０】
クロックＣＬＫのパルス幅をＰｗとすると、各段のＴ−ＦＦからはＰｗ×２ⁿ（ｎはＴ−ＦＦの段数で１以上の整数）で規定される遅延時間を持つ信号が出力される。本例では、５段目のＴ−ＦＦ５から過電流検出を示す信号を取り出し、９段目のＴ−ＦＦ９から過放電検出を示す信号を、１２段目のＴ−ＦＦ１２からは過充電検出を示す信号をそれぞれ取り出すようにしている。これらの信号は、図３で説明した論理演算回路２５に出力される。
【００１１】
図５は、図４の回路における初段のＴ−ＦＦ１入力、すなわちクロックＣＬＫ（図4で言えば、Ｔ−ＦＦ１の入力側の上段）、ＣＬＫバー（図4で言えば、Ｔ−ＦＦ１の入力側の下段）と、初段のＴ−ＦＦ１出力、すなわち端子Ｑ（図4で言えば、Ｔ−ＦＦ１の出力側の上段）、Ｑバー（図4で言えば、Ｔ−ＦＦ１の出力側の下段）からの出力と、２段目のＴ−ＦＦ２の端子Ｑバーからの出力波形を示している。
【００１２】
図６は、異常状態とＴ−ＦＦ出力との関係を示した図である。
【００１３】
なお、クロックＣＬＫのパルス幅Ｐｗは、クロック生成回路２６−１におけるＮ段（Ｎは２以上の整数で、本例ではＮ＝４）の充放電部２６−１１〜２６−１４で規定される。充放電部２６−１１〜２６−１４はそれぞれ同じ構成であり、例えば充放電部２６−１１について言えば、充放電用のｎ−ＭＯＳによるトランジスタＴ１１、カレントミラー用のｐ−ＭＯＳによるトランジスタＴ１２とコンデンサＣ１１とから成る。
【００１４】
図７をも参照して、充放電部２６−１１では、トランジスタＴ１１のゲートにおける電位に応じてコンデンサＣ１１が充放電を行う。すなわち、トランジスタＴ１１はオン状態にあるが、そのゲート電位が閾値まで高くなるとオフとなり、電流ＩによるコンデンサＣ１１の充電が始まる。すると、トランジスタＴ１１のドレインとトランジスタＴ１２のソース間の電位Ｖ１１が図７（ａ）に示すように低下する。電位Ｖ１１が閾値まで低下すると、図７（ｂ）に示すように、今度は充放電部２６−１２における充放電用のトランジスタＴ２１がオンとなり、電流ＩによるコンデンサＣ２１の充電が始まる。コンデンサＣ１１の充電が完了すると、電位Ｖ１１は元の値に戻る。以下、充放電部２６−１３、２６−１４でも同じような動作が行われる。
【００１５】
カレントミラー用のトランジスタＴ１２〜Ｔ４２（第１のカレントミラー用トランジスタ）はそれぞれ、コンデンサＣ１１〜Ｃ４１のラインの電流を同じ電流値Ｉにするためのものである。
【００１６】
以上のような動作において、コンデンサＣ１１における蓄積電荷Ｑは、Ｑ＝Ｃ・Ｖ＝Ｉ・ｔで表される。但し、ＣはコンデンサＣ１１の容量、Ｖは電位、Ｉは充電電流、ｔは時間である。
【００１７】
上記の式より、ｔ＝Ｃ・Ｖ／Ｉであり、時間ｔはクロック生成回路２６−１におけるクロックＣＬＫの周期を規定する。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、これまでの不感応時間設定回路２６は、上記のようにしてクロック生成回路２６−１におけるクロックＣＬＫの周期が設定されてしまうと、この周期は固定である。そして、クロックＣＬＫの周期が決まると、不感応時間設定回路２６から出力される過電流検出を示す信号、過放電検出を示す信号、過充電検出を示す信号の持つ遅延時間も固定となる。言い換えれば、一旦、クロックＣＬＫの周期が設定されてしまうと、不感応時間設定回路２６からの各種信号の遅延時間を変えることはできない。これは、不感応時間設定回路２６がＩＣに内蔵して作られるからである。このため、従来の二次電池保護回路には以下のような問題点を有していた。
【００１９】
二次電池保護回路の組立てが終了すると、その機能試験が行われる。例えば、過電流検出回路の機能を試験するためには、実際に過電流を流して、正常に過電流に対する保護動作が行われるかどうかの試験が繰り返し行われる。ここで、過電流検出回路の機能を試験するためには、過電流に対して正常に保護動作が行われるかどうかを見れば良いので、不感応時間は不要である。しかしながら、機能試験時には不感応時間設定回路２６も機能しているので、過電流に対して設定された不感応時間を経過しないと、過電流に対して正常に保護動作が行われるかどうかを見ることができない。
【００２０】
そして、上記の機能試験は、過電流だけでなく、過充電、過放電に対しても必要であるので、二次電池保護回路全体としてみた場合、不感応時間に起因する全体の待ち時間は無視できず、機能試験に多くの時間を要してしまうという問題があった。
【００２１】
そこで、本発明の課題は、不感応時間設定回路をＩＣに内蔵して製造する場合であっても不感応時間を短縮することのできる不感応時間設定回路を備えた二次電池保護回路を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、二次電池における過放電状態、過充電状態、過電流状態を検出してそれぞれに対応した処置をとるに際し、それぞれの状態に応じた不感応時間を設定するためにＩＣによる不感応時間設定回路を備えた二次電池保護回路において、前記不感応時間設定回路に、前記不感応時間を短縮する切換え回路を備え、前記不感応時間設定回路は、クロックを生成するためのクロック生成回路と、前記クロックを分周するｎ段（ｎは１以上の整数）のフリップフロップ（以下、ＦＦと略記する）回路とを含み、前記切換え回路は、前記クロック生成回路を構成して前記クロックの周期を規定するトランジスタの電流Ｉを制御するカレントミラー回路を含み、前記クロック生成回路は、充放電用の前記トランジスタとこれに並列に接続されたコンデンサと前記トランジスタに直列に接続された第１のカレントミラー用のトランジスタとを含むＮ段（Ｎは２以上の整数）の充放電部を含み、前記カレントミラー回路は、前記Ｎ段のそれぞれのコンデンサのラインに接続されてそこに流れる前記電流Ｉを増加させることで前記クロックの周期を短くする第２のＮ段のカレントミラー用のトランジスタを含むことを特徴とする。
【００２４】
本二次電池保護回路においてはまた、前記不感応時間設定回路はＩＣに内蔵して作られ、該ＩＣは複数の入出力端子を備え、これら複数の入出力端子のうちのあらかじめ定められた端子間の接続を変えることで前記カレントミラー回路を起動させることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１、図２を参照して、本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は、本発明の好ましい実施の形態による不感応時間設定回路を示す。本回路は、図３で説明したような二次電池保護回路に適用される。図１において、図４と同じ部分には同一番号を付し、またフリップフロップ回路２６−２は図４のものと同じなので図示は省略している。
【００２７】
本形態においては、図４に示したクロック生成回路２６−１に、不感応時間を短縮する切換え回路１０を設けた点に特徴を有する。切換え回路１０は、カレントミラー回路で実現され、４段の充放電部２６−１１〜２６−１４におけるそれぞれのコンデンサＣ１１〜Ｃ４１のラインに接続されてそこに流れる電流Ｉを増加させることでクロック生成回路２６−１からのクロックＣＬＫの周期を変える４段のカレントミラー回路１０−１１〜１０−１４から成る。各段のカレントミラー回路１０−１１〜１０−１４は同じ構成であり、具体的には、１段目のコンデンサＣ１１のラインには、１段目のカレントミラー回路１０−１１として直列接続された一対のｐ−ＭＯＳによるカレントミラー用のトランジスタ（第２のカレントミラー用トランジスタ）Ｔ１、Ｔ２が接続され、２段目のコンデンサＣ２１のラインには、２段目のカレントミラー回路１０−１２として直列接続された一対のカレントミラー用のトランジスタＴ３、Ｔ４が接続されている。また、３段目のコンデンサＣ３１のラインには、３段目のカレントミラー回路１０−１３として直列接続された一対のカレントミラー用のトランジスタＴ５、Ｔ６が接続され、４段目のコンデンサＣ４１のラインには、４段目のカレントミラー回路１０−１４として直列接続された一対のカレントミラー用のトランジスタＴ７、Ｔ８が接続されている。
【００２８】
各カレントミラー回路１０−１１〜１０−１４は、トランジスタＴ１、Ｔ３、Ｔ５、Ｔ７のゲートが共通に時間短縮端子（図2）に接続され、トランジスタＴ２、Ｔ４、Ｔ６、Ｔ８のゲートも共通に時間短縮端子に接続されている。これにより、時間短縮端子の電位がトランジスタＴ１〜Ｔ８のソース電位より低くなるとトランジスタＴ１〜Ｔ８はオンになる。これは、時間短縮端子を負側に接続することで実現され、詳しくは後述する。
【００２９】
カレントミラー回路１０−１１〜１０−１４がオンになると、充放電部２６−１１〜２６−１４における電流Ｉが同じ値だけ増加する。電流Ｉが増加すると、クロック生成回路２６−１からのクロックＣＬＫの周期が短くなる。これは、前に述べたように、クロック生成回路２６−１からのクロックＣＬＫの周期は、ｔ＝Ｃ・Ｖ／Ｉで規定され、電流Ｉが増加するからである。電流Ｉは任意に設定でき、したがってクロックＣＬＫの周期も任意に設定できる。そして、クロックＣＬＫの周期を短くすれば、不感応時間設定回路２６から出力される過電流検出を示す信号、過放電検出を示す信号、過充電検出を示す信号の持つ遅延時間も短くなる。
【００３０】
このようにすることで、二次電池保護回路の各種機能試験を行う場合には、カレントミラー回路１０−１１〜１０−１４を動作させるようにして不感応時間設定回路２６における不感応時間を最短にすることにより、動作確認のための待ち時間を最短にして機能試験全体に要する時間を大幅に短縮することができる。
【００３１】
図２は、本不感応時間設定回路を収容したＩＣパッケージを示す。ＩＣパッケージ３０は複数の入出力端子ＶSS、ＶDD、時間短縮端子、過放電検出出力、負荷側マイナス電位入力、過充電検出出力を備え、これら複数の入出力端子のうちのあらかじめ定められた端子間の接続を変えることでカレントミラー回路１０−１１〜１０−１４を起動させることができる。端子ＶSSはＩＣのＧＮＤ端子であり、二次電池の負極側接続端子である。端子ＶDDは電源入力端子であり、時間短縮端子は図１のスイッチ２に対応する。過放電検出出力は過放電検出信号用の出力端子である。負荷側マイナス電位入力は過電流検出、過充電検出用の入力端子であり、過充電検出出力は過充電検出信号用の出力端子である。
【００３２】
前に述べたように、図１のカレントミラー回路１０−１１〜１０−１４は、スイッチ２端子を負側に接続することで実現される。これは、機能試験時に図２における時間短縮端子を端子ＶSSに接続するだけで良い。この時以外は時間短縮端子は端子ＶDDに接続されている。
【００３３】
以上、本発明を好ましい実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。例えば、図１に回路におけるＭＯＳトランジスタはｐ−ＭＯＳ、ｎ−ＭＯＳのいずれでも実現可能である。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば不感応時間設定回路をＩＣに内蔵して製造する場合であっても不感応時間を短縮することができ、これにより二次電池保護回路としての機能試験を行う際の作業時間を大幅に短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による不感応時間設定回路の主要部の構成を示した回路図である。
【図２】本発明による不感応時間設定回路をＩＣに内蔵した場合の端子配置を示した図である。
【図３】本発明が適用される二次電池保護回路の構成を示したブロック図である。
【図４】従来の不感応時間設定回路の構成を示した回路図である。
【図５】図４のフリップフロップ回路における初段及び第２段目のフリップフロップの入出力波形を示した図である。
【図６】図４のフリップフロップ回路の出力と各種の異常検出状態との関係を示した図である。
【図７】図４のクロック生成回路における充放電部の動作を説明するための波形図である。
【符号の説明】
１０切換え回路
１０−１１〜１０−１４カレントミラー回路
２１リチウムイオン電池
２６−１クロック生成回路
２６−２フリップフロップ回路
３０ＩＣパッケージ

Claims

二次電池における過放電状態、過充電状態、過電流状態の少なくとも１つを検出してそれに対応した処置をとるに際し、その状態に応じた不感応時間を設定するためにＩＣによる不感応時間設定回路を備えた二次電池保護回路において、
前記不感応時間設定回路に、前記不感応時間を短縮する切換え回路を備え、
前記不感応時間設定回路は、クロックを生成するためのクロック生成回路と、前記クロックを分周するｎ段（ｎは１以上の整数）のフリップフロップ（以下、ＦＦと略記する）回路とを含み、
前記切換え回路は、前記クロック生成回路を構成して前記クロックの周期を規定するトランジスタの電流Ｉを制御するカレントミラー回路を含み、
前記クロック生成回路は、充放電用の前記トランジスタとこれに並列に接続されたコンデンサと前記トランジスタに直列に接続された第１のカレントミラー用のトランジスタとを含むＮ段（Ｎは２以上の整数）の充放電部を含み、前記カレントミラー回路は、前記Ｎ段のそれぞれのコンデンサのラインに接続されてそこに流れる前記電流Ｉを増加させることで前記クロックの周期を短くする第２のＮ段のカレントミラー用のトランジスタを含むことを特徴とする二次電池保護回路。
請求項１記載の二次電池保護回路において、前記不感応時間設定回路はＩＣとして作られ、該ＩＣは複数の入出力端子を備え、これら複数の入出力端子のうちのあらかじめ定められた端子間の接続を変えることで前記カレントミラー回路を起動させることを特徴とする二次電池保護回路。